Biologie

Dieser Abschnitt versucht, die Hodgkin-Huxley-Experimente aus biologischer Sicht zu erklären. Hodgkin und Huxleys Arbeit mit dem Riesenkalmar-Axon war die erste, die mathematische Modelle verwendete, um biologische Systeme darzustellen. Aufgrund der Ergebnisse von Hodgkin und Huxley können wir verstehen, wie sich ein Aktionspotential entlang eines Nervs ausbreitet und welche Funktionen die damit verbundenen Ionenkanäle haben.

• Das Ruhepotential
• Die Modellzelle
• Die Konstantfeldgleichung
• Das Ruhemembranpotential
• Das Aktionspotential
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Die Beschreibungen des Ruhepotentials und Aktionspotential wurden mit Nicholls und Kollegen fouth edition Lehrbuch interpretiert, Von Neuron zu Gehirn. (Nicholls, John, A. Martin, B. Wallace und P. Fuchs. Vom Neuron zum Gehirn. Vierte Ausgabe. Sinauer Associates, Inc. MA 2001.)

Das Ruhepotential

Im Ruhezustand ist das Innere eines Neurons im Verhältnis zur Außenseite des Neurons negativer geladen. Obwohl die intrazelluläre Konzentration für Kalium hoch und sowohl für Chlorid als auch für Natrium niedrig ist, verhindert das Ruhemembranpotential, dass Kalium- und Chloridionen ihre Konzentrationsgradienten herunterdiffundieren. Eine Änderung des extrazellulären Chloridpotentials führt schließlich zu einer Änderung des intrazellulären Chloridpotentials; somit werden Änderungen des relativen Volumens der Zelle und Änderungen der Chlorid-, Kalium-, Natrium- und internen Anionenkonzentrationen induziert. Eine Änderung des extrazellulären Chloridpotentials führt jedoch nicht zu einer Änderung des Chloridgleichgewichtspotentials oder des Membranpotentials im Steady State. Umgekehrt führt eine Änderung des extrazellulären Kaliumpotentials zu einer Änderung des relativen Volumens der Zelle und verändert das Membranpotential. Darüber hinaus führt eine Änderung des extrazellulären Kaliumpotentials zu Änderungen der Chlorid-, Natrium- und internen Anionenkonzentrationen.

Natrium- und Kaliumionen treten ständig durch die Membran aus. Die Natrium-Kalium-Austauschpumpe hält jedoch die Leckagekonzentration aufrecht. Aktiviert durch ATP, das durch Metabolismus produziert wird, pumpt die Natrium-Kalium-Austauschpumpe drei Natriumionen in die Zelle für jeweils zwei Kaliumionen, die aus der Zelle gepumpt werden. Die Aktivierung von Ionenkanälen verändert die Permeabilität der Zellmembran für Kalium und Natrium. Diese Änderungen erzeugen elektrische Signale, die die Ladungsmenge auf der Zellmembran verändern; somit ändert sich das Membranpotential.

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Die Modellzelle

Um zu verstehen, wie die Nernst-Gleichung zur Vorhersage von Ionenpotentialen verwendet wird, stellen Nicholls et al. die Modellzelle vor. In ihrer Modellzelle ist die Zellmembran nur für Kalium und Chlorid durchlässig und für Natrium und ein inneres Anion undurchlässig. Um stabil zu bleiben, müssen drei Anforderungen erfüllt sein:

1) Intrazelluläre und extrazelluläre Lösungen müssen elektrisch neutral sein.
2) Die Zelle muss sich im osmotischen Gleichgewicht befinden.
3) Es kann keine Nettobewegung eines bestimmten Ions in oder aus der Zelle geben.

Das Ionengleichgewicht wird aufrechterhalten, da die Zellmembran als Kondensator wirkt. Wenn positiv geladene Kaliumionen aus der Zelle diffundieren, sammeln sich positive Ladungen an der äußeren Oberfläche an, während sich negative Ladungen an der inneren Oberfläche ansammeln. Dieser Unterschied im elektrischen Potential setzt sich fort, bis der Ausfluss von Kaliumionen gestoppt ist oder keine Nettokaliumionenbewegung über die Membran auftritt. Dies ist das mit EK bezeichnete Kaliumgleichgewichtspotential.

Wobei o die externe Kaliumkonzentration und i die interne Kaliumkonzentration ist. Das mit EK bezeichnete Chloridgleichgewichtspotential ist gegeben durch

da die Ionenladung z negativ ist.

Experimente, die an isolierten Abschnitten des Squid-Axons in Salzwasser durchgeführt wurden, zeigten EK-Werte von etwa -0,093 V, ECl-Werte von etwa -0,055 V und Membranpotential, Vm, im Bereich von -0,065 V bis -0,070V. Potentiale sind negativ in Bezug auf extrazelluläre Flüssigkeit. Das Kaliumkonzentrationsverhältnis von intrazellulärem Kalium zu extrazellulärem Kalium beträgt 40: 1.

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Die Konstantfeldgleichung

Nach Kirchhoffs Spannungsgesetzen ist Strom abhängig von Spannung und Widerstand oder Spannung und Leitwert.

Somit ist der nach innen gerichtete Natriumstrom definiert durch

wobei gNa die Natriummembranleitfähigkeit ist, die von der durchschnittlichen Anzahl offener Natriumkanäle bei ruhendem Membranpotential abhängt.

Wenn Chlorid im Gleichgewicht ist, gibt es keine Nettobewegung von Chloridionen über die Membran oder

und

Ersetzen und Umordnen,

wenn Chlorid im Gleichgewicht ist, und

wenn Chlorid nicht im Gleichgewicht ist.

Das Membranpotential kann auch ausgedrückt werden in Ionenkonzentrationen innerhalb der Zelle und außerhalb der Zelle und Ionenmembranpermeabilität, veranschaulicht durch die Goldman, Hodgkin, Katz (GHK) Gleichung

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Ruhemembranpotential

Am Ruhemembranpotential muss die Zelle stabil sein oder jeder Ionenstrom muss Null sein. Natrium-Kalium-Leckströme werden durch die Natrium-Kalium-ATPase konstant gehalten, wodurch die zur Aufrechterhaltung des Steady State erforderliche metabolische Energie erhöht wird. Das Verhältnis von Natriumionen zu Kaliumionen, das ATPase produziert, ist gegeben durch

.

Das Verhältnis r ist negativ, da Natrium- und Kaliumionen in entgegengesetzte Richtungen gepumpt werden. Dieses Transportsystem ist elektrogen, da jeder Zyklus eine positive Nettoladung nach außen erzeugt. Eine positive Ladung sammelt sich an der Außenseite der Zellmembran an, während sich eine negative Ladung an der Innenseite der Zellmembran ansammelt. Die Wirkung des elektrogenen ATPase-Natrium-Kalium-Austauschs kann mit einem nicht-elektrogenen Transportsystem verglichen werden, indem das Verhältnis r auf 1 eingestellt wird.

Das Ruhemembranpotential wird beschrieben durch

wenn Chlorid im Gleichgewicht ist. Beachten Sie, dass der Wert des Ruhemembranpotentials näher am Wert des Kaliumpotentials liegt. Somit wird eine größere Antriebskraft für den Zustrom von Natriumionen über die Membran benötigt.

Unter der Annahme, dass sich alle anderen permeierenden Ionen im stationären Zustand befinden, lautet die GHK-Gleichung für das Ruhemembranpotential

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Das Aktionspotential

Das Aktionspotential kann als Ruhepotential beschrieben werden, das durch eine stark ansteigende Phase (Depolarisation) aktiviert wird, gefolgt von einer schnell abfallenden Phase, die sich unterhalb des ursprünglichen Ruhepotentials erstreckt (Hyperpolarisation). Die Repolarisation wird durch eine allmähliche Rückkehr zum beginnenden Ruhepotential dargestellt.

1939 zeigten Hodgkin und Huxley, dass auf dem Höhepunkt des Aktionspotentials ein Überschwingen auftrat. Mit einem positiven inneren Membranpotential würden Natriumionen weiter fließen, sogar über Null hinaus, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Somit deutet ein Überschwingen an der Spitze des Aktionspotentials auf die Bedeutung von Natriumionen bei der Erzeugung des Aktionspotentials hin. Weitere Arbeiten von Hodgkin und Katz im Jahr 1949 beinhalteten die Verringerung der externen Natriumkonzentration des Riesenkalmar-Axon-Experiments. Die Verringerung der externen Natriumkonzentration verursachte eine Abnahme des Überschwingens auf dem Höhepunkt des Aktionspotentials. Follow-up-Arbeiten haben gezeigt, dass die Erhöhung der Natriumpermeabilität auf die Öffnung vieler spannungsaktivierter Natriumkanäle zurückzuführen ist (Depolarisation).

Die schnell abfallende Phase des Aktionspotentials kann auf eine weitere Erhöhung der Ionenpermeabilität zurückgeführt werden, die durch die Öffnung vieler spannungsaktivierter Kaliumkanäle und den Ausfluss von Kaliumionen durch die Membran verursacht wird. Der Zeitraum, in dem die Kaliumkanäle mehrere Millisekunden dauern, so dass mehr Kaliumionen über das ursprüngliche Ruhepotential hinaus durch die Membran strömen können (Hyperpolarisation). Kurz gesagt wird die Depolarisation durch einen plötzlichen Anstieg der Natriumpermeabilität aufgrund der Öffnung einer großen Anzahl von spannungsaktivierten Natriumkanälen beschrieben, die einen schnellen Zustrom von Natriumionen verursachen. Positive Ladung baut sich auf der inneren Membran auf, bis das Membranpotential ENA erreicht, an dem sich die Natriumkanäle schließen. Die Repolarisation folgt mit einem plötzlichen Anstieg der Kaliumpermeabilität aufgrund der Öffnung einer großen Anzahl von spannungsaktivierten Kaliumkanälen, die einen schnellen Ausfluss von Kaliumionen verursachen. Die innere Membran verliert weiterhin die positive Ladung, bis das Membranpotential EK erreicht, an dem sich die Kaliumkanäle schließen. Der normale Natrium- und Kaliumaustausch setzt sich fort, wenn das Membranpotential zum Ruhepotential zurückkehrt.

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